Question

6．甲醇可作為燃料電池的原料．通過下列反應可以制備甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1，在一容積可變的密閉容器中充入10molCO和20molH₂，CO的平衡轉化率隨溫度（T）、壓強（P）的變化如圖1所示，當達到平衡狀態B時，容器的體積為4L．
（1）該反應的化學平衡常數表達式為$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$．
（2）如反應開始時仍充入10mol CO 和20mol H₂，則在平衡狀態A時，容器的體積V（A）=20 L．
（3）關于反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）建立化學平衡狀態時的標志是AD（填字母）．
A．CO的含量保持不變               
B．容器中CH₃OH濃度與CO濃度相等
C．2V_正（CH₃OH）=V_正（H₂）      
D．容器中混合氣體的平均相對分子質量保持不變
（4）已知CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1，試寫出由CO₂和H₂制取甲醇的熱化學方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1．
（5）甲醇對水質會造成一定的污染，有一種電化學法可消除這種污染，其原理是：通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．實驗室用如圖2裝置模擬上述過程：
①寫出陽極的電極反應式Co²⁺-e^-=Co³⁺
②寫出除去甲醇的離子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）平衡常數為產物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪的乘積的比值；
（2）A、B溫度相同，則化學平衡常數也相同，可利用A點時計算出化學平衡常數，計算得出B的體積；
（3）根據化學平衡狀態的判斷依據進行判斷；
（4）利用蓋斯定律計算得出熱化學方程式；
（5）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發生氧化反應，電極反應為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

解答 解：（1）平衡常數為產物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪的乘積的比值，K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$，故答案為：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$；
（2）密閉容器中充入10mol CO和20mol H₂，達到平衡狀態B時，CO轉化率為0.8，此時各物質的物質的量為CO為2mol，H₂為4mol，CH₃OH為8mol，氣體的物質的量為14mol，容器體積為4L；若反應開始時仍充入10mol CO 和20mol H₂，達到平衡狀態A時，CO轉化率為0.5，此時各物質的物質的量為CO為5mol，H₂為10mol，CH₃OH為5mol，氣體的物質的量為20mol；由于A、B溫度相同，化學平衡常數相同，設A點氣體體積為V，則有$\frac{\frac{8}{4}}{\frac{2}{4}×（\frac{4}{4}）{\;}^{2}}$=$\frac{\frac{5}{V}}{\frac{5}{V}×（\frac{10}{V}）^{2}}$，V=20L，故答案為：20；
（3）A、CO的含量保持不變，各組分的物質的量，總物質的量不變，達到化學平衡狀態，故A正確；
B、容器中CH₃OH濃度與CO濃度相等，是一個比較特殊的情況，此時可能達到平衡狀態，也可能未達到平衡狀態，故B錯誤；
C、2V_正（CH₃OH）=V_正（H₂），都是指正反應方向，不能判斷達到化學平衡狀態，故C錯誤；
D、M_平均=$\frac{m{\;}_{總}}{n{\;}_{總}}$，氣體總質量不變，反應前后計量數不同，即反應前后氣體n_總不同，所以當M_平均不變時，達到了化學平衡狀態，故D正確；
故選：AD；
（4）將CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1與CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1，相加可得到CO₂和H₂制取甲醇的熱化學方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5 kJ•mol^-1，故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5 kJ•mol^-1；
（5）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發生氧化反應，電極反應為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
故答案為：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，結合原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫離子方程式為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

點評 本題考查了蓋斯定律的應用、化學平衡常數的應用、電解池原理分析和電極反應書寫方法，化學平衡狀態的特征及判斷、化學平衡圖象等知識、題目難度較大，注意認真分析．